Stampaggio a iniezione e stampa 3D: quale scegliere?

Stampaggio a iniezione e manifattura additiva: qual è il più vantaggioso?

Attualmente sia i metodi tradizionali che le nuove tecnologie consentono la produzione in polimeri. In base alle necessità, al numero di pezzi da produrre e alle geometrie personalizzate o complesse richieste, è fondamentale identificare il processo più vantaggioso poiché questo incide su tempi di consegna, costi di investimento e stabilisce l’attrezzatura richiesta.

Due delle principali tecnologie utilizzate per la produzione di parti in polimeri sono lo stampaggio a iniezione e la manifattura additiva. Le principali differenze tra lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D riguardano tempi di consegna, costi di investimento e l’aspetto delle parti. Lo stampaggio a iniezione per ottenere un'elevata finitura superficiale delle parti e un alto numero di volumi di produzione, richiede stampi costosi e attrezzatura personalizzata che necessitano di alcuni test e di lunghi tempi di consegna.

Allo stesso tempo, la stampa 3D consente di produrre molto velocemente forme più complesse senza adoperare strumenti onerosi.

Lo stampaggio a iniezione, quindi, risulta essere il metodo di produzione più indicato per la produzione di massa, mentre la manifattura additiva principalmente per lotti medio-piccoli di parti altamente complesse.

Cos'è lo stampaggio a iniezione?

Lo stampaggio a iniezione è il processo produttivo idoneo ad una produzione di massa di parti identiche con tolleranze ristrette. Permette di produrre parti in plastica, vetro, gomma o anche metallo.

Questo metodo di produzione è stato scoperto nell'Ottocento, a seguito dell'invenzione delle prime materie plastiche, poiché sfrutta una delle principali proprietà dei polimeri termoplastici: la malleabilità. Da quel momento, tecniche e tecnologie sono state ottimizzate con costanza e attualmente circa l'80% degli articoli in plastica durevole di uso quotidiano, sono realizzati mediante stampaggio a iniezione di plastica.

Il processo è molto semplice: il materiale fuso viene iniettato nello stampo, riempiendo le cavità. Successivamente, lo stampo viene raffreddato e le parti vengono espulse tramite perni. L'ingegneria di questa soluzione è tutt'altro che semplice: gli strumenti e le pressioni di iniezione sono accuratamente progettati per ottenere una finitura superficiale liscia e un'elevata ripetibilità del processo, rendendolo il processo più idoneo per la produzione di lotti numerosi.

Tuttavia, a causa della pressione molto elevata, potrebbe verificarsi un ritiro dimensionale del polimero risolidificato o in alcuni casi persino una deformazione. Per evitare questo inconveniente, si potrebbero disegnare sulla parte finale delle nervature, al fine di rendere possibile l’analisi del flusso per la convalida del processo in atto.

Alcuni dei difetti superficiali dei pezzi stampati ad iniezione più frequentemente riscontrabili sono i risucchi (sink marks), le linee di saldatura e le striature di pigmento. Mentre i primi possono comparire sulla superficie opposta di un dettaglio della nervatura, gli altri possono verificarsi in zone vicine a rientranze e fori, poichè il materiale è costretto a scorrere attorno ad ostacoli.

Lo stampaggio a iniezione richiede l’utilizzo di strumenti generalmente lavorati in alluminio o acciaio e solitamente costituiti da: canali di raffreddamento ad acqua per il controllo della temperatura, un punto di iniezione (gate), sistemi di scorrimento (parti di collegamento) e apparecchiature elettroniche di misurazione che monitorano costantemente la temperatura. L'attrezzatura per lo stampaggio a iniezione meno costosa è costituita da 2 parti, lo stampo maschio e lo stampo femmina. Ingegneri e produttori di attrezzatura con strumentazioni più complesse, nuclei retrattili e porte multiple spesso sottopongono il processo ad innumerevoli test per poterne ampliare i limiti.

Injection molding: vantaggi e svantaggi della stampa a iniezione

Lo stampaggio a iniezione è uno dei metodi di produzione privilegiato per le parti in polimeri. Tuttavia, è necessario analizzare tutti i pro e contro per avere una visione completa dei suoi vantaggi e limiti.

I benefici dello stampaggio a iniezione sono:

• velocità: produzione di un elevato numero di pezzi all'ora. La velocità dipende dalla complessità e dalle dimensioni dello stampo;
• ripetibilità: garantisce convenienza per la produzione di massa e lotti numerosi;
• tolleranze fini e qualità superficiale molto elevata;
• basso costo del lavoro: processo automatizzato;
• vasta gamma di materiali disponibili (anche con colorazioni differenti) e possibile integrazione di più materiali plastici insieme;
• personalizzazione: possibilità di inserire inserti nelle parti stampate.

Gli svantaggi dello stampaggio a iniezione:

• flessibilità progettuale limitata: scarsa libertà nella realizzazione di forme complesse; devono essere seguite delle regole di progettazione per l'estrazione del pezzo dallo stampo:
  ○ limitata a parti con pareti sottili: è necessario utilizzare spessori di parete uniformi per evitare incongruenze nel processo di raffreddamento con conseguenti difetti come i risucchi (sink marks). Inoltre, le parti spesse risultano più costose poiché il processo di raffreddamento richiede più tempo;
  ○ evitare spigoli vivi e sottosquadri;
  ○ consigliati gli angoli di sformo per una migliore sformatura.
• difficoltà nella modifica degli stampi e, di conseguenza, delle parti stampate;
• post-processing necessario: per eliminare ponti, canali di colata e guide per alcune forme;
• elevati costi di investimento per stampi e attrezzature. Spesso è necessario ripartire questi costi per una quantità di parti numerosa al fine di ottenere un processo conveniente. Di solito, più grande è il pezzo, più difficile e costoso sarà lo stampo. Per questo motivo risulta essere un processo troppo costoso per una serie di parti poco numerosa;
• lunghi tempi di set up a causa di test approfonditi durante la fase di progettazione di stampi e di successiva prototipazione;
• lead time lungo per la produzione e la consegna degli stampi;
• necessità di immagazzinare stampi;
• nessun orientamento delle fibre secondo una direzione selezionata (nel caso di stampaggio di compositi rinforzati con fibre).

Alcuni materiali, come il PEEK, sono più complessi da produrre, poiché richiedono una temperatura di fusione più elevata e potrebbero essere soggetti a ritiro dimensionale. Il PEEK può essere stampato a iniezione e questa tecnologia risulta idonea per la produzione di massa di parti.

Vantaggi della stampa 3D

La stampa 3D aggiunge materiale polimerico o composito, strato su strato, per produrre forme finite. È considerata la tecnologia più rapida per produrre parti molto complesse. La tecnologia FFF è facilmente implementabile in un contesto produttivo industriale.
Attualmente, è la tecnologia più utilizzata per la produzione rapida di prototipi funzionali.

I principali vantaggi della manifattura additiva, in particolare della tecnologia FFF, sono:

• Tempi di consegna molto brevi: stampa 3D on demand e just in time;
• Attrezzatura non necessaria;
• Geometrie complesse e personalizzate;
• Digitalizzazione del magazzino eliminando costi connessi e obsolescenza delle parti;
• Riduzione dei costi logistici avvicinando il punto di produzione al punto finale di utilizzo;
• Creazione di assiemi integrati con ridotto numero di parti;
• Riduzione sostanziale di spreco di materiale dovuto esclusivamente a supporti e raft;
• Basso costo della manodopera: la stampante non ha bisogno di operatori mentre è in funzione;
• Elevata resistenza delle parti;
• Riduzione della catena di approvvigionamento internalizzando il processo;
• Riduzione del peso delle parti grazie all’infill.

Il PEEK è uno dei polimeri ad alte performance più difficili da processare; tuttavia, le stampanti 3D FFF Roboze sono in grado di stamparlo in modo eccellente. Per la personalizzazione di massa dei prodotti in PEEK, la stampa 3D Roboze risulta essere la soluzione più idonea, potendo assicurare un processo ripetibile ed elevata cristallinità delle parti.

Differenza tra stampa ad iniezione e stampa 3D: come scegliere la soluzione più idonea?

Scegliere tra stampa 3D e stampaggio a iniezione è semplice date le notevoli differenze. I metodi tradizionali di produzione presentano grandi limiti quando è necessario ridurre i tempi di consegna, eliminare l’attrezzatura e quando sono richieste forme personalizzate. Per identificare il metodo di produzione più idoneo, le aziende devono considerare diversi aspetti per valutarne la convenienza.

Le variabili da analizzare durante la scelta tra stampa 3D e stampaggio a iniezione sono:

• Volumi di produzione richiesti: lo stampaggio a iniezione è noto per essere il metodo produttivo più conveniente per la produzione di massa. Il costo per parte però dipende strettamente dai volumi richiesti. Infatti, più il pezzo è complesso, maggiore è il costo per lo stampaggio ad iniezione, a causa degli elevati costi per la lavorazione meccanica degli stampi metallici. Di solito, più grande è la parte, maggiori sono i costi da sostenere. Diversamente, nel caso della stampa 3D i costi da sostenere non dipendono dal volume di produzione ma rimangono pressoché costanti. A seconda della forma e delle dimensioni dei pezzi da produrre, è possibile calcolare un punto di pareggio per valutare quale sia la tecnologia più conveniente tra la stampa 3D e lo stampaggio a iniezione. Il punto di pareggio potrebbe variare in un ampio intervallo tra alcune migliaia e decine di migliaia di parti. In termini molto generali, lo stampaggio ad iniezione è da considerarsi conveniente per più di diecimila parti, mentre la stampa 3D è la tecnologia da scegliere per un quantitativo inferiore alle cinquemila parti.

• Immobilizzazione di capitale e merci: lo stampaggio a iniezione richiede investimenti sostenuti in anticipo: l’attrezzatura e il materiale devono essere acquistati preventivamente e i lotti di parti richiesti saranno disponibili una volta completato il processo. Risulta conveniente in termini economici, ma potrebbe non esserlo in termini finanziari: in molti casi, infatti, l’utilizzo mensile di queste parti è scarso nonostante i costi totali siano stati già sostenuti. Poiché questo capitale è stato immobilizzato, non può essere utilizzato dalle aziende per spese diverse. Inoltre, le giacenze di magazzino rappresentano un costo aggiuntivo e potrebbero diventare obsolete se invendute nel breve periodo. La stampa 3D offre la possibilità di stampare just in time e on demand e non richiede l'immobilizzazione né di capitali né di beni. Questo metodo di produzione flessibile consente di programmare la produzione periodica di lotti più piccoli, solo quando necessario;
• Tempi di consegna richiesti: lo stampaggio a iniezione è un processo rapido solo nel momento in cui tutta l’attrezzatura è stata prodotta e testata. La fase di progettazione e test, così come la fabbricazione dello stampo, potrebbero richiedere più tempo. Tutto ciò che serve alla stampa 3D è un file stl: il tempo di consegna è molto ridotto;
• Costi di investimento: stampi e attrezzatura possono diventare molto costosi, in base alle dimensioni e alla complessità. Il range di costo di un singolo stampo a iniezione varia da 1k a 80k USD. La stampa 3D non richiede l’utilizzo di alcuno strumento aggiuntivo per la produzione; l’investimento infatti riguarda solo la stampante 3D.
• Flessibilità produttiva: qualsiasi geometria da produrre con lo stampaggio a iniezione richiede almeno uno stampo nuovo, poiché non è possibile effettuare modifiche su quelli già utilizzati. Di conseguenza nel caso di una produzione di svariate forme diverse, i costi degli stampi possono risultare molto elevati. Il processo di stampa 3D non è condizionato dalla forma della parte, qualsiasi geometria può essere realizzata con la stessa macchina e senza stampi, garantendo un'elevata flessibilità;
• Rugosità superficiale e tolleranze dimensionali: lo stampaggio ad iniezione garantisce finiture di altissima qualità e tolleranze estremamente basse, a seconda della qualità dello stampo. La stampa 3D garantisce tolleranze medie e parti utilizzabili immediatamente o che possono essere sottoposte a finitura qualora richiesto.
• Complessità della parte: lo stampaggio a iniezione può produrre parti di media complessità, ma molto spesso è limitato nel design: non è possibile realizzare nessun sottosquadro, parti sottili e angoli di sformo. Inoltre, maggiore è la complessità, maggiori sono i costi dell'attrezzatura. La stampa 3D invece consente di produrre parti molto complesse.
• Personalizzazione del pezzo: customizzare le parti significa personalizzare gli stampi ad iniezione: questo è quasi impossibile. È possibile eliminare materiale dallo stampo con operazioni di lavorazione meccanica; tuttavia, le operazioni eseguibili sono limitate e questo processo non è reversibile. Poiché la stampa 3D non è vincolata ad alcuno strumento, modificare il design delle parti è facile e veloce e personalizzare le parti risulta conveniente non dovendo considerare ulteriori costi aggiuntivi.

  Processo	Lavorazione CNC	Stampa 3D
  Geometria	Limitazioni	Nessuna limitazione, parti flessibili e complesse, opzioni di riempimento
  Costo dell'attrezzatura	Molto Alto	Nessuno
  Tempo di consegna	Elevato	Molto ridotto
  Scorte necessarie	Sì, stampi e materiale	Solo il filamento
  Costo	Aumenta con la complessità	Dipende solo dalla quantità di materiale
  Produttività	Basata su grandi lotti	Indipendente dal numero di unità
  Obiettivo	Produzione di massa	Customizzazione di massa

La stampa 3D sostituirà la stampa ad iniezione?

La stampa 3D sostituirà lo stampaggio a iniezione per la produzione di lotti di piccole e medie dimensioni, poiché può garantire tempi di consegna più brevi e convenienza economica non necessitando di strumenti costosi, ma probabilmente non sarà la tecnologia di produzione più indicata per la produzione di massa di parti in polimeri.

Le richieste del settore industriale stanno diventando sempre più difficili da soddisfare in termini di complessità del design, poiché i mercati stanno passando dalla produzione di massa alla personalizzazione di massa. Pertanto, le tecnologie devono adattarsi per soddisfare queste esigenze. Mentre nello stampaggio a iniezione i costi aumentano con la complessità, con la stampa 3D questo non avviene. In futuro, questa variabile, insieme alla flessibilità della manifattura additiva, sarà la chiave per una più ampia implementazione di questo processo produttivo.

Attualmente lo stampaggio a iniezione è la tecnologia più utilizzata ma, nel momento in cui ingegneri e designer non focalizzeranno più l’attenzione esclusivamente sul design per lo stampaggio a iniezione valutando invece anche il design per produzione additiva, sarà possibile aprire nuove porte alla personalizzazione di massa. Con un processo ripetibile, come quello garantito con le stampanti ARGO di Roboze, la stampa 3D si allinea alla ripetibilità dello stampaggio a iniezione per garantire parti funzionali.
 
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